電容式傳感器的電路圖：電容式傳感器工作原理
導(dǎo)讀：本文主要介紹的是電容式傳感器的工作原理，感興趣的童鞋們快來學(xué)習(xí)一下吧~~很漲姿勢的哦~~
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電容式傳感器是一種把被測的機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化。面積變化型一般用于測量角位移或較大的線位移。介質(zhì)變化型常用于物位測量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測定。
2.電容式傳感器工作原理--優(yōu)缺點
電容器傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜，靈敏度高,過載能力強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)特性好和對高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。70年代末以來,隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?br/>3.電容式傳感器工作原理
電容式傳感器的電容檢測元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的，電容器由兩個絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為e的電解質(zhì)時，兩圓筒間的電容量為C=2∏eL/lnD/d，式中L為兩筒相互重合部分的長度;D為外筒電極的直徑;d為內(nèi)筒電極的直徑;e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。在實際測量中D、d、e是基本不變的，所以電容式傳感器具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡單和靈敏度高等特點。
拓展閱讀：
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電容式傳感器的電路圖：電容式傳感器的工作原理
電容式傳感器的感應(yīng)面由兩個同軸金屬電極構(gòu)成，很象“打開的”電容器電極，該兩個電極構(gòu)成一個電容，串接在RC振蕩回路內(nèi)。
電源接通時，RC振蕩器不振蕩，當(dāng)一目標(biāo)朝著電容器的電靠近時，電容器的容量增加，振蕩器開始振蕩。通過后級電路的處理，將振和振蕩兩種信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，從而起到了檢測有無物體存在的目的。該傳感器能檢測金屬物體，也能檢測非金屬物體，對金屬物體可以獲得最大的動作距離，對非金屬物體動作距離決定于材料的介電常數(shù)，材料的介電常數(shù)越大，可獲得的動作距離越大。
云陽電子主要產(chǎn)品有：智能電力儀表、智能溫控表/調(diào)節(jié)儀、安全柵/信號隔離器、電量/溫度變送器、時間繼電器/定時器/累時器、智能電工控制儀表、計數(shù)器/記米器/長度計、頻率/轉(zhuǎn)速/線速度表、智能傳感器儀表稱重控制儀表、LED/LCD數(shù)字面板表頭、接近開關(guān)、數(shù)字溫度計、智能溫濕度控制儀表/溫濕度計、AC-DC/DC-DC電源、儀表配件測試/老化/實驗控制系統(tǒng)、開發(fā)非標(biāo)電子產(chǎn)品、溫度/壓力等變送器表頭等。如果您有電子產(chǎn)品的需求，歡迎聯(lián)系我們：余先生，手機(jī)： （微信同號）。
電容式傳感器的電路圖：電容式傳感器的檢測方法及測試原理
電容式傳感器一般是將被測量的變化量轉(zhuǎn)換為電容量的變化。目前，基于這種原理的各種類型的傳感器已在測量加速度、液位、幾何孔徑等方面得到了廣泛的應(yīng)用。但以電容為變化量的傳感器（尤其是MEMS傳感器），其電容變化范同往往只有幾個pF，甚至幾個fF。這便對電容檢測的精度提出了很高的要求，尤其是在傳感器的研發(fā)過程中，往往需要極高精度的電容檢測設(shè)備對傳感器進(jìn)行測試與調(diào)校。但是一直以來國內(nèi)外都缺乏能夠?qū)ξ⑿‰娙葸M(jìn)行實時檢測的專用儀器，普遍的做法是針對所研發(fā)的傳感器自行設(shè)計、制做專門的電容檢測電路，這無疑增加了傳感器設(shè)計的難度與工作量。針對這一問題，我們設(shè)計了通用的電容式傳感器檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)ξ⑿‰娙葸M(jìn)行實時檢測，并可以通過上位機(jī)實現(xiàn)實時顯示、存儲等功能。
1 總體設(shè)計
電容式傳感器的檢測方法主要有：設(shè)計專用ASIC芯片；使用分立元件通過電容橋、頻率測量等原理實現(xiàn)測量；使用通用電容檢測芯片將電容轉(zhuǎn)換為電壓或其他量等。從技術(shù)難度、測量精度等多方面考慮，本系統(tǒng)采用集成電容檢測芯片來完成對電容式傳感器的檢測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電容檢測芯片選用Irvine Sensor公司的MS3110。MS3110將電容量轉(zhuǎn)換為電壓量輸出（量程為0～10 pF）。單片機(jī)MSP430F149集成的12位A／D轉(zhuǎn)換器對輸出電壓進(jìn)行采樣，并通過I／O端口對MS3110內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)經(jīng)采樣后通過串口傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理、實時顯示、存儲等。上位機(jī)由普通微機(jī)構(gòu)成。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 MS3110簡介及寄存器設(shè)置
MS3110是Irvine Sensor公司生產(chǎn)的具有極低噪聲的通用電容檢測芯片。它采用CMOS工藝，工作電壓為+5 V，測量靈敏度為，集成的補(bǔ)償電容等參數(shù)均可以通過寄存器控制。其基本測量原理為：對被測電容與參考電容同時以相反時序充放電，通過電流積分、低通濾波、放大等將被測電容與參考電容差值轉(zhuǎn)換為電壓輸出。MS3110內(nèi)含一個60位的寄存器和100位的EEPROM?？赏ㄟ^單片機(jī)MSP430F149的I／0口對其EEFROM編程，或使MS3110工作在測試狀態(tài)直接對寄存器進(jìn)行編程。通過這些設(shè)置可對MS3110內(nèi)部各個模塊的參數(shù)進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)。
MS3110原理框圖如圖2所示。MS3110主要由電容補(bǔ)償電路、電荷積分電路、低通濾波器以及運(yùn)算放大器組成。
其中，CSlIN、CS2IN為被檢測電容，CSl、CS2為MS3110內(nèi)部的可調(diào)電容。通過對內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，CS1可在O～1．197 pF范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，CS2可在0～9．709pF范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。CF為電荷積分器的積分電容，可在O～19．437 pF范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。以上3個可調(diào)節(jié)電容的調(diào)節(jié)步進(jìn)均為19 fF。低通濾波器的帶寬可在O．5～8 kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可調(diào)增益GAIN可選擇2或4。
另外，參考電壓VREF、空載輸出電壓Vout等也可以通過寄存器進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。其空載輸出電壓的計算公式如下：
Vout=GAIN×V2P25×1．14×（CS2T-CS1T）／CF+VREF （1）
式中：CSlT=CS1IN+CSl，CS2T=CS2IN+CS2；本系統(tǒng)中可調(diào)整的內(nèi)部增益GAIN取2；V2P25為芯片參考電壓輸出，默認(rèn)值為2．25 V；參考電壓VREF可選O．5 V與2．5 V兩個值，本系統(tǒng)中選取O．5 V。由于燒寫EEPROM需要額外的16 V電壓，本系統(tǒng)中將TEST引腳拉低使芯片處于測試狀態(tài)，通過I／O即可直接更改其寄存器。由于掉電后寄存器數(shù)據(jù)將丟失，所以每次上電后都需要對所有的寄存器進(jìn)行初始化。需要特別指出的是，MS3110數(shù)據(jù)手冊中給出的寫寄存器時序圖中，將數(shù)據(jù)輸入時鐘SCLK周期標(biāo)為固定值2μs。在實驗中我們發(fā)現(xiàn)，周期大于2μs時均可成功設(shè)置。
2．2 MSP430F149簡介及通信接口設(shè)計
系統(tǒng)使用MSP430F149集成的12位A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。MSP430F149在1 MHz的時鐘頻率下運(yùn)行時，芯片的電流在200～400μA左右；在等待方式下，耗電僅為O．7μA；在節(jié)電方式下，電流最低可達(dá)0．1 μA。集成的12位A／D轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200 kbps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。
MSP430F149集成的A／D轉(zhuǎn)換器可采用內(nèi)部2．5 V參考電壓或外部參考電壓，但其內(nèi)部參考電壓準(zhǔn)確性較差，在本系統(tǒng)中將MS3110的2．25 V參考電壓輸出作為A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。低功耗單片機(jī)與集成A／D轉(zhuǎn)換器的采用保證了系統(tǒng)擁有較低的功耗。
與上位機(jī)的通信接口采用MSP430F149集成的串行接口，通過MAX3232芯片轉(zhuǎn)換為三線RS232接口與計算機(jī)串口直接相連。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)軟件與上位機(jī)軟件兩部分。
3．1 單片機(jī)軟件設(shè)計
采用IAR Assembler for MSP430集成開發(fā)環(huán)境，使用C語言編寫了單片機(jī)部分的程序，主要包括系統(tǒng)初始化、測量芯片寄存器初始化、測量與數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。單片機(jī)軟件流程如圖3所示。
單片機(jī)初始化包括單片機(jī)I／O初始化、串行口參數(shù)初始化、A／D轉(zhuǎn)換器初始化，以及與上位機(jī)通信接收系統(tǒng)參數(shù)等。MS31lO初始化是通過單片機(jī)I／O對MS3110內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化，包括參考電容值、可調(diào)增益、初始電壓等參數(shù)。采樣開始后，單片機(jī)按照設(shè)定采樣率進(jìn)行采樣；采樣結(jié)束后，將數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理、顯示與存儲。
3．2 上位機(jī)軟件設(shè)計
采用VC++6．0軟件和C++語言編寫系統(tǒng)的上位機(jī)軟件。軟件功能主要包括設(shè)置參數(shù)，與下位機(jī)通信，數(shù)據(jù)實時圖形化顯示、存儲和讀取等。上位機(jī)軟件界面如圖4所示。
4 精度測試與分析
進(jìn)行測試前，首先應(yīng)對電路的初始輸出進(jìn)行校準(zhǔn)。方法如下：將CSl、CS2設(shè)置為O，使用用高精度電壓表對MS3110芯片輸出電壓進(jìn)行測量，輸出為O．497 192 V，將式（1）中的VREF修正為0． V。
在電路板CS2IN位置上焊接一個1．8 pF多層陶瓷電容，用于模擬外部電容式傳感器；芯片內(nèi)部可調(diào)電容CS2由O逐步步進(jìn)到342 fF，以模擬傳感器電容的變化，步進(jìn)值為19 fF。具體寄存器參數(shù)設(shè)置如下：CSl設(shè)為O，為CF設(shè)9．728 pF，可調(diào)增益GAIN設(shè)置為2，V2P25設(shè)為2．25 V，其他參數(shù)均取手冊推薦值。通過實驗測得，當(dāng)CS2取O時，測量值為1．960 021 pF。與電容標(biāo)稱值的差異主要是由電容本身容差與電路的分步電容引起的。由式（1）可得：
CS2=（Vout-VREF）CF／（GAIN×V2P25×1．14） （2）
代入具體數(shù)值可得：
CS2=（Vout-0．497 192）×9．728／5．13 （3）
其中，Vout=（A／D采樣值／4 095）×2．25。精度測試實驗結(jié)果如表1所列（實測容值為10次測量的均值）。
測試結(jié)果表明，該電容式傳感器檢測系統(tǒng)具有較高的檢測精度，平均誤差僅為0．879 fF，最大絕對誤差小于1．6 fF。由于MSP430F149集成的A／D轉(zhuǎn)換器為12位，當(dāng)CF取9．728 pF時，系統(tǒng)對電容的分辨率只有1．042fF?？梢?，A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率是制約檢測精度的重要因素。在對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)時，可考慮采用更高位數(shù)的A／D轉(zhuǎn)換器。
結(jié)語
本文基于電容檢測芯片MS3110設(shè)計了一款電容式傳感器檢測系統(tǒng)，給出了設(shè)計要點和需要注意的問題。該系統(tǒng)具有較高的測試精度，可用于電容式傳感器檢測與研發(fā)。
電容式傳感器的電路圖：電容式的傳感器的工作原理圖
描述
在石油、鋼鐵、電力、化學(xué)等生產(chǎn)工藝過程中壓為是非常重要的參數(shù)。此外，在機(jī)械制造技術(shù)方面，從小批量生產(chǎn)到連續(xù)程序控制．從小規(guī)模的設(shè)備到大規(guī)模的成套設(shè)備和不斷發(fā)展的多功能的成套設(shè)備．都需要大量的壓力傳感器。為廠使這些復(fù)雜化、大規(guī)?；某商自O(shè)備能安全運(yùn)轉(zhuǎn)，對壓力傳感器的可靠性和穩(wěn)定性的要求也越來越高．
下面就性能良好，可靠性高的電容式傳感器加以敘述，如下圖。
測量壓力有表壓力及絕對壓力測量二種方式。表壓測量采用以大氣壓為基準(zhǔn)測容器內(nèi)壓力的方法。絕對壓力的測量是采用以絕對真空為基準(zhǔn)而測容器內(nèi)壓力的方法。二者的基本原理相同，所不同的是表壓傳感器將低壓例制成對照大氣開口的結(jié)構(gòu)；而絕對壓力測量則把低壓設(shè)在真空室的結(jié)構(gòu)．對高壓和低壓兩例的接觸溶液膜加壓后，通過密封液加到感壓膜上，感壓膜（可變電極）接著高壓側(cè)和低壓側(cè)的壓力差成正比地改變位置，感壓膜的位移，使膜與兩側(cè)固定電極之間形成路電容運(yùn)差，這個靜電容放差位經(jīng)電路轉(zhuǎn)換、放大后就變成4-20mADc的輸出信號。
該傳感器的特點：
1、具有能實現(xiàn)高可可靠性的簡單盒狀結(jié)構(gòu)；
2、具有0.2%、50度的高溫特性；
3、小型輕量和耐振性強(qiáng)
4、測量范圍寬．
5、溫度范圍寬
6、內(nèi)有指示針
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